WO2003036323A1 - Dispositif d'acquisition de cible, aeronef, systeme d'estimation de trajectoire et systeme de defense associes - Google Patents

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WO2003036323A1
WO2003036323A1 PCT/FR2002/003613 FR0203613W WO03036323A1 WO 2003036323 A1 WO2003036323 A1 WO 2003036323A1 FR 0203613 W FR0203613 W FR 0203613W WO 03036323 A1 WO03036323 A1 WO 03036323A1
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WO
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acquisition device
target acquisition
target
aircraft
sensor channel
Prior art date
Application number
PCT/FR2002/003613
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Patrick Unterreiner
Marc Thillot
Original Assignee
Thales
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Publication date
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    • G01S11/12—Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation using electromagnetic waves other than radio waves

Definitions

  • the invention relates to the field of target acquisition devices, in particular of a flying target, as well as surveillance aircraft integrating these target acquisition devices, the associated target trajectory estimation systems, and defense systems. against target using trajectory estimation systems.
  • the target acquisition device is used by a trajectory estimation system which locates the target in order to allow for example a defense system to neutralize this target.
  • a trajectory estimation system which locates the target in order to allow for example a defense system to neutralize this target.
  • One of the problems which arises in effectively neutralizing the target is the accuracy of the location.
  • Several systems of the prior art and consequently several types of target acquisition devices have been successively developed, thus making it possible to improve the accuracy of target location as and when.
  • the target acquisition device according to the invention allows the trajectory estimation system which uses it to further and substantially improve this localization accuracy.
  • a target acquisition device comprising a simple optronic sensor channel.
  • the aircraft on board such a target acquisition device comprises an inertial unit on which the optronic sensor channel is reset.
  • This first prior art is imprecise because of the problems of readjusting the optronic sensor channel on the inertial unit of the aircraft and because, in particular in the event of a long-term mission, problems of drift of the inertial unit of the aircraft.
  • a target acquisition device comprising a simple optronic sensor channel.
  • the aircraft on board such a target acquisition device also includes an inertial unit but the optronic sensor channel is readjusted on the stars in the sky which are observed via the optronic sensor channel.
  • the extra precision that had been obtained 'during the registration on the stars is partially lost.
  • This second prior art is also relatively imprecise, although better than the first prior art because autonomous compared to inertial unit.
  • the inertial unit can be readjusted on the stars, via the optronic sensor channel.
  • the object of the invention is to provide a target acquisition device which allows very precise localization of said target, unlike the devices of the prior art.
  • the target acquisition device according to the invention is intended to be mounted on an aircraft or an aerostat, that is to say on an aerial platform evolving or stationing in the air, for example of the airplane, drone or balloon type , with the exception of platforms operating in space of the satellite type which are not at all subject to the same mechanical stresses, such as for example load factor or vibrations as aircraft.
  • An aircraft is subjected to much greater mechanical stresses than a satellite insofar as the conditions of evolution or vibrational environment of an aircraft are much more severe than those of a satellite.
  • the target acquisition device in order to improve the accuracy of the location of potential targets, comprises a star sensor channel on which the optronic sensor channel can be very precisely reset.
  • said tracks are made integral with one another.
  • a target acquisition device being intended to be mounted on an aircraft, comprising an optronic sensor channel comprising a detector and means for controlling the line of sight of the optronic sensor channel, characterized in that the target acquisition device also comprises, a star sensor channel comprising a detector, means for readjusting the line of sight of the optronic sensor channel on the line of sight of the sensor channel of stars, and in that the line of sight of the star sensor path is mechanically integral with the line of sight of the optronic sensor path.
  • FIG. 1 schematically shows an example of an aircraft incorporating a target acquisition device according to the invention
  • FIG. 2 schematically shows an example of target acquisition device according to the invention
  • FIG. 3 shows schematically a preferred example of target acquisition device according to the invention
  • FIGS. 4 and 5 diagrammatically represent diagrams for explaining the correspondence between the pixels of the detector of the optronic sensor channel and the pixels of the detector of the star sensor channel in the case of an embodiment conforming to that of the figure 3.
  • FIG. 1 schematically represents an example of an aircraft incorporating a target acquisition device according to the invention.
  • This aircraft is preferably a surveillance aircraft.
  • the surveillance aircraft is for example a surveillance drone of which only a portion of the external surface 20 is shown in FIG. 1 for reasons of clarity.
  • the target acquisition device 10 according to the invention is a tracking ball in which an optronic sensor channel and a star sensor channel are integrated.
  • the tracking ball 10 is located on the outer surface 20 of the drone.
  • the drone also has on its outer surface 20, but placed on the other side of the drone, a watch device 22, also in the form of a ball, which is a watch ball.
  • Communication means 24, located inside the drone connect the target acquisition device 10 to the standby device 22.
  • Reconstruction means 21 of the target trajectory are also connected to the communication means 24 and are also located in the drone.
  • the reconstruction means 21 could also be located in a ground station.
  • a mechanically rigid structure 23 maintains the relative position of the tracking ball 10 and the standby ball 22.
  • the target acquisition device according to the invention is intended to be mounted on an aircraft. This aircraft is for example a surveillance drone as in FIG. 1. This aircraft can also be a fighter aircraft. Indeed, the load factor on a fighter aircraft usually high because of rapid changes in the fighter aircraft would degrade the location accuracy even more than on a surveillance drone. However, with the target acquisition device according to the invention, the mechanical solidarity existing between the optronic sensor path and the star sensor path makes the sought-after location accuracy compatible with the use of a factor fighter aircraft. high load.
  • the star sensor and optronic sensor channels are mechanically linked together in a sufficiently rigid manner that the line of sight of the observation channel and the line of sight of the star sight channel are stationary one compared to each other.
  • the use of a fighter aircraft also has the advantage of not requiring an additional aircraft to intercept the flying target.
  • the target acquisition device according to the invention can be mounted on a fighter aircraft because of its great compactness, in particular when it consists of a tracking ball in which the optronic sensor channel and the sensor sensor channel are integrated. stars.
  • the evolution altitude of the aircraft on which the target acquisition device according to the invention is mounted is preferably an altitude on the one hand for which the signal to noise ratio of the different channels, namely the sensor channel optronics and the star sensor path, is important enough to allow the target acquisition device to catch a target and in particular a flying target, to allow the star sensor path to acquire the stars, and d on the other hand to which several usual types of aircraft can evolve.
  • An altitude of around 40,000 feet then represents a good compromise.
  • the aircraft comprises a standby device as well as means of communication between the target acquisition device and the standby device, said communication means allowing the target acquisition device to catch on, successively in time, on several targets and to come back regularly to hang on each of said targets.
  • the target acquisition device Whenever the target acquisition device returns cling to a target, the images it takes allow a fine estimation of several positions of said target, said positions then being used by trajectory estimation means to reconstruct the trajectory of said target.
  • This operation with punctual returns from the target aircraft allows the same aircraft to share its target acquisition time between several targets operating simultaneously in the field.
  • the target acquisition device must search for the target and acquire it from an initial objective designation provided in absolute coordinates or in site and in bearing. For this, the target acquisition device is hung on an objective designation giving the estimated position in elevation and in bearing of the target on which the target acquisition device must then effectively hang.
  • the objective designation can also sometimes provide the estimated angular speed of the target.
  • the objective designation can be provided either by a watch device integrated into the aircraft or by a ground station. In the case where the objective designation is provided by a watch device integrated into the aircraft, the estimate of position or even angular speed is rough and will precisely be refined by means of the images taken by the channels of the device. target acquisition.
  • the estimation of position or even angular speed was carried out by reconstruction of the trajectory of the target obtained by extrapolation to the present moment of positions or even speeds themselves obtained from the information previously provided by the target acquisition and watch devices of one or more surveillance aircraft (including possibly the one to which the objective designation is provided).
  • the target acquisition device can hang on the target provided that the target is seen in the field of the optronic sensor path of the target acquisition device. which requires for an acquisition without research to said field to be greater than twice the angular precision of the objective designation increased by the scrolling of the target, and on the other hand that the signal to noise ratios on the optronic sensor and sensor channels device stars of target acquisition are sufficient, a signal to noise ratio, the value of which is between two and ten for example, is usual.
  • the target acquisition device according to the invention is preferably intended for use in a surveillance aircraft which itself is advantageously part of a target trajectory estimation system.
  • the trajectory estimation system of a target comprises a single surveillance aircraft which comprises a rangefinder.
  • the estimation system also includes means for reconstructing the trajectory of the target from images supplied by the aircraft and from telemetry measurements.
  • the trajectory estimation system of a target comprises at least two surveillance aircraft.
  • the estimation system also includes means for reconstructing the trajectory of the target by triangulation from the images provided by the various aircraft.
  • the means for reconstructing the trajectory of targets may be located, for example, either on the surveillance aircraft or aircraft themselves, or at the level of a ground station, or partly at the level of the ground station and partly at level of the surveillance aircraft.
  • These reconstruction means notably include databases concerning the ephemeris of the stars corresponding to the portion of the field where the target or targets are supposed to evolve.
  • the target trajectory estimation system may for example be part of a more general active defense system integrating at least one intercepting aircraft to which at least a portion of the trajectory estimated by the estimation system is provided. Thanks to this portion of estimated trajectory, the interception aircraft is guided towards the target until it can activate its own terminal guidance system. Interception will generally take place after re-entry into the atmosphere for a ballistic missile.
  • a passive defense system that is to say one that does not include an intercepting aircraft, passive defense then consisting, for example, of sheltering civilian populations, locating the flying target via of the trajectory estimation system makes very long range radar detection systems on the ground against ballistic missiles in particular useless.
  • the trajectory estimation system according to the invention also has a far greater range than a very long range radar detection system.
  • the very long range radar system will detect the missile approximately 2min before impact while the trajectory estimation system can detect the same missile under certain conditions up to approximately 8 min before impact, which greatly facilitates the task of the associated defense system, whether it is active or passive.
  • the duration of the mission of a surveillance aircraft within a defense system can be long, for example of the order of a day, missions of the order of a week or a month which can even be considered. Indeed, the location of the target from the images provided by the channels of the target acquisition device retains good accuracy independently of the drifts over time of the aircraft inertial unit, which inertial unit can even then be readjusted on the star sensor track during the mission. If the target acquisition device is reset on current aircraft inertial units, as in the prior art, only missions of a few hours at most would be possible.
  • the type of flying targets pursued by the target acquisition device according to the invention is preferably the ballistic missile.
  • the target acquisition device and the trajectory estimation system according to the invention can also be used against other types of flying targets such as spy satellites or planes operating at high altitude.
  • the target acquisition device and the trajectory estimation system according to the invention can also be used against other types targets such as maritime targets or land targets, the land targets then advantageously being fixed or movable targets, for example of the headquarters type or else of the ballistic missile launcher type.
  • FIG. 2 schematically represents an example of a target acquisition device according to the invention.
  • the target acquisition device is in the form of a tracking ball 10.
  • the ball Once mounted on a surveillance aircraft, the ball has at least two degrees of freedom in rotation relative to the structure of the surveillance aircraft, in order to be able to sweep a substantial portion of the space such as for example a half-space .
  • the optronic sensor channel whose field of view 12 includes the target 13 includes an optronic sensor 11, for example of the observation camera type.
  • the field (15) of the detector (8) of the star sensor channel is preferably large enough to permanently see at least two stars, which makes it possible to determine the roll of the star sensor channel and what is particularly interesting. taking into account that the lines of sight of the star sensor and optronic sensor channels are not collinearly harmonized in the example represented in FIG. 2.
  • the star sensor channel whose field of view includes several stars 16 includes a 14 star sensor.
  • the relative position of the fields 12 and 15 in space is preserved thanks to the rigidity of the mechanical connection between the optronic sensor and star sensor channels. In Figure 2, this mechanical rigidity comes from the ball 10 itself very rigid and athermalized in addition, ball 10 to which are also mechanically rigidly fixed the various elements of said tracks.
  • Openings 17 and 18 are made in the ball 10 so that the fields 12 and 15 of view respectively of the optronic sensor and star sensor paths are not obstructed by the walls of the ball 10.
  • the position of the different paths is such that the directions in which said paths look are not aligned, that is to say that the lines of sight of the different routes are not aligned.
  • the lines of sight of the star sensor and optronic sensor channels are arranged substantially at right angles to one another, in order to allow the grazing sights of the optronic sensor channel while limiting the location errors linked to diffraction in the layers of the atmosphere.
  • the target acquisition device comprises a star sensor channel having a matrix detector with an associated line of sight and a field as well as an optronic sensor channel having a matrix sensor with a line of sight and a field associates.
  • a star sensor channel having a matrix detector with an associated line of sight and a field as well as an optronic sensor channel having a matrix sensor with a line of sight and a field associates.
  • any pixel of a matrix detector of one of the channels corresponds bijectively a pixel of the field of said channel, said correspondence being effected by the optics of said channel located upstream of said detector, said field pixel corresponding both to an angular portion of the space located opposite the sensitive surface of said detector and to a pixel of the image of space obtained by said detector.
  • the optronic sensor channel and the star sensor channel are preferably mechanically linked together in a sufficiently rigid manner that the line of sight of the optronic sensor channel and the line of sight of the star sensor channel are stationary one relative to each other so that the relative position of the pixels of the field of the optronic sensor channel and of the pixels of the field of the star sensor channel is preserved.
  • the relative position of the pixels is preserved if the amplitude of the minute relative movement that may exist between the lines of sight of the different channels does not exceed, at each detector field of one of the said channels, the detector field of the the other path then being taken as a reference, the size of half a pixel.
  • the preferential conservation of the relative position of the pixels of the field of the optronic sensor channel and of the pixels of the field of the star sensor channel results in the maintenance of an existing correspondence between the pixels of the detector of the optronic sensor channel and the pixels of the detector of the star sensor channel.
  • the existing correspondence is maintained if for example when a given pixel pi of the detector of the optronic sensor path corresponds to a given pixel pj of the detector of the star sensor path, that is to say when the pixels pi and pj both correspond to the same angular portion of the space, then the pixel pi always corresponds to the pixel pj whatever the absolute movements of the aircraft, since the lines of sight of the different channels remain stationary with respect to each other.
  • Another cause of imprecision could be the weakness of the refresh rate of the star sensor channel which refresh rate is generally lower than the image rate of the optronic sensor channel.
  • an image obtained by the star sensor path at a given instant is of course used to readjust the image obtained at the same instant by the optronic sensor path but also several images obtained by the optronic sensor path at times close to the instant.
  • calculation means carry out interpolations.
  • the optronic sensor channel and the star sensor channel each preferably have an image rate, one of which is a multiple of the other.
  • the optronic sensor channel and the star sensor channel have the same image rate and are temporally synchronized.
  • the similarity of the image rates between the different channels and their temporal synchronization allows, without requiring interpolation calculations, to maintain the precision obtained by associating with each image of the optronic sensor channel a temporally simultaneous image.
  • the star sensor channel thus allowing a very precise registration of the image of the optronic sensor channel on the image of the star sensor channel which image of the star sensor channel generally comprises several reference stars, the position in space is very precisely known thanks to databases containing the ephemerides of these reference stars.
  • the precision of the angular position of a flying target visible on several images of the optronic sensor channel will be very high and this for all the images. concerned, thus allowing a very precise reconstruction of the trajectory of the flying target.
  • the precision of the angular position of a flying target can reach 30 ⁇ rad.
  • the target acquisition device according to the invention is preferably a tracking ball and the two channels are advantageously integrated inside the ball.
  • the target acquisition device according to the invention can also be integrated into a nacelle or even be arranged inside the aircraft on which it is mounted in the absence of nacelle.
  • the target acquisition device has means for controlling the optronic sensor channel in a determined direction.
  • This determined direction can be chosen in several ways.
  • the means for controlling the optronic sensor channel control the line of sight of the optronic sensor channel on the target.
  • An advantage of this first embodiment is the absence of speed tracking on the target, which improves the signal-to-noise ratio and allows better localization of the target in the reference frame of the optronic sensor channel.
  • a drawback of this first embodiment is the presence of a speed spun on the stars, which degrades the signal to noise ratio and causes poorer localization of the stars in the reference frame of the star sensor channel.
  • the means for controlling the optronic sensor channel control the line of sight of the optronic sensor channel on the stars in the sky.
  • An advantage of this second embodiment is the absence of speed tracking on the stars, which improves the signal to noise ratio and allows better location of the stars in the reference frame of the star sensor channel.
  • a drawback of this second embodiment is the presence of a speed spun on the target, which degrades the signal-to-noise ratio and results in poorer localization of the target in the reference frame of the optronic sensor channel. In the case described later of a single detector for the two channels then aligned, the speed spun on the target is less annoying than the speed spun on the stars, therefore this second embodiment is then preferable.
  • FIG. 3 schematically represents a preferred example of a target acquisition device according to the invention.
  • the target acquisition device according to the invention shown in FIG. 3 is preferably intended for the acquisition of flying targets, that is to say aerial and space targets, and in particular the flying targets evolving at high altitude.
  • an optic can designate both a simple optical element such as for example a lens as well as a complex optical combination comprising several optical elements.
  • the target acquisition device according to the invention is in the form of a tracking ball 10 of which only a portion is shown in FIG. 3 for reasons of clarity.
  • Block 1 sensor symbolically represents the rigidity of the mechanical connection between the optronic sensor channel on the one hand and the star sensor channel on the other.
  • the optronic sensor channel comprises, successively from the outside of the ball 10 towards the inside of the ball 10, a vertical filter 2 the operation of which will be explained later, an input optic 3, a beam splitter 4, an optic 5 focusing, a detector 6.
  • the star sensor path comprises, successively from outside the ball 10 towards inside the ball 10, a vertical filter 2, the operation of which will be explained later, an input optic 3, a beam splitter 4, a focusing optic 7, a detector 8.
  • the filter 2, optics 3 inlet and the separator 4 are common to the two channels in Figure 3, which is not mandatory but preferable due to the fact that an element common to the two channels contributes by construction to the improvement of the rigidity of the mechanical connection between said tracks.
  • the beam f arriving from the outside enters the ball 10 successively passing through the filter 2 and the inlet optics 3 to arrive at the separator 4 which is for example a simple semi-reflecting blade.
  • the splitter 4 separates the beam f into two beams, a beam fo propagating towards the detector 6 of the optronic sensor channel and a beam fve propagating towards the detector 8 of the star sensor channel.
  • the beam fo is focused by the focusing optics 5 on the detector 6 while the beam fve is focused by the focusing optics 7 on the detector 8.
  • the detector 8 of the star sensor channel is preferably arranged so as to obtain a defocused image of the stars so that the image of each star covers several pixels of said detector 8. In the case of stars emitting a lot of light, a precise localization of the line of sight of the star sensor path relative to the stars observed is thus easier to obtain.
  • the target acquisition device preferably comprises at least one rectilinear polarizing filter which is arranged so that, when acquiring a flying target, the component of horizontal rectilinear polarization of the incoming light on the detector of one of the channels, advantageously of each of the channels, is substantially more attenuated than the component of vertical rectilinear polarization of the light which arrives on the detector of said channel, advantageously of each of the channels.
  • This filter is called vertical filter
  • Figure 3 shows a vertical filter 2.
  • the flying target is most often detected on an unstructured sky background, that is to say that the lower part of the field of the channel detector optronic sensor points above the cloudy ceiling.
  • the function of the vertical filter 2 is therefore to increase the signal to noise ratio by stopping, before arriving at the detectors, the horizontally polarized light.
  • At least part of the line of sight of the star sensor channel and part of the line of sight of the optronic sensor channel are aligned one on the other and the conservation of the relative position of the pixels of the field of the optronic sensor channel and of the pixels of the field of the star sensor channel results in the maintenance of an existing correspondence between the pixels of the matrix detector of the optronic sensor channel and of the pixels of the matrix detector of the sensor channel of stars.
  • the optronic sensor and star sensor channels are therefore aligned, that is to say collinearly harmonized.
  • the winding trajectory of light rays is no longer a source of significant localization errors.
  • the optronic sensor and star sensor channels even have in FIG. 3 a common pupil, which further reduces the harmonization errors between said channels.
  • the optics of the common pupil can however be multi-field and / or multispectral in the case where the detectors of said channels do not have the same field and / or not the same spectral range of sensitivity.
  • Said channels can also have separate pupils, which is less advantageous in terms of the mechanical rigidity of the connection between said channels, but which can be simpler to implement in the case of detectors of different fields and / or of spectral domains of different sensitivity for the two channels insofar as this dispenses with multichamp and / or multispectral optics.
  • the star sensor channel preferably has a larger field than that of the optronic sensor channel.
  • FIGS. 4 and 5 schematically represent diagrams explaining this correspondence.
  • a target 13, represented in the form of an arrow, is contained in the field 12 of the optronic sensor path.
  • Several stars 16, respectively represented in the form of asterisks, are contained in the field 15 of the star sensor path.
  • the field 15 of the star sensor channel includes the field 12 of the optronic sensor channel.
  • FIG. 5 shows, using a curved arrow, the correspondence existing between one or more given pixels of the sensitive surface 120 of the detector 6 of the optronic sensor channel, represented in FIG. 5 by the zone 30 and representing an angular sector SA, of space, belonging to the field 12, and one or more given pixels of the sensitive surface 150 of the detector 8 of the star sensor path, represented in FIG. 5 by the zone 31 and representing the same angular sector SA, of space, belonging to the field 15.
  • the dotted lines on the sensitive surface 150 of FIG. 5 delimit a zone of pixels having correspondents on the sensitive surface 120.
  • the mechanical connection between the optronic sensor channel and the star sensor channel is rigid enough so that on the one hand, in the case where the zone 30 continues to represent the angular sector SA, then the zone 31 also continues to represent the angular sector SA, and for than on the other hand, in the case where the zone 30 starts to represent another angular sector aSA, then the zone 31 also starts to represent this same angular sector aSA: for this, the relative offset between the field 12 and the field 15 must therefore not exceed half the size of a pixel of the sensitive surface 120 of the detector 6, nor half the size of a pixel of the sensitive surface 150 of the detector 8.
  • the pixels of the detectors 6 and 8 do not necessarily have the same size, but it is preferable.
  • the target acquisition device according to the invention is generally athermalized so that the temperature differences do not disturb the correspondence between the pixels of the detectors of the different channels.
  • the material used for this thermalization is for example INVAR.
  • the target acquisition device according to the invention is preferably in the form of a ball integrating the optronic sensor and star sensor channels.
  • the ball being relatively compact, can be more easily aired.
  • the ball has for example approximately 400mm in diameter.
  • the respective detectors of the different channels have a spectral range of sensitivity which is otherwise identical to at least neighboring.
  • the correlation between the images provided by the different channels is easier to achieve at the level of the trajectory estimation system including the target acquisition device according to the invention.
  • the star sensor channel detector is chosen in such a way that its spectral range of sensitivity is at least partially in the infrared, even if the infrared is located at the tail of the emission spectrum of stars, that is to say in a relatively weak part of this emission spectrum, the availability of very sensitive detectors in the infrared making it possible to significantly reduce this drawback; thus, the target acquisition device according to the invention overcomes the background noise constituted by solar diffusion.
  • the target acquisition device comprises a detector of the star sensor channel, the spectral range of sensitivity of which comprises at least part of the infrared band II.
  • the bands I and II of the infrared are better for the star sensor channel while the bands II and III of the infrared are generally better for the optronic sensor channel.
  • band II may be better at the start of the ballistic phase of the missile when it is still hot while band III may be better at the end of the ballistic phase missile when it is already cold.
  • At least part of the infrared band II is preferably included in the sensitivity range of the detector of each of the channels.
  • the sensitivity range of the detectors of the different channels has a lower limit substantially equal to 1 ⁇ m and an upper limit substantially between 2.5 ⁇ m and 4 ⁇ m.
  • the lower limit being worth approximately 1 ⁇ m represents an optimal since the background noise increases with the solar diffusion below this lower limit.
  • the heat flux of the optical elements of the channels and of the atmosphere increases appreciably.
  • the detectors are detectors of high sensitivity such as MCT, InSb or MPQ. These detectors advantageously have at least 640 ⁇ 480 pixels.
  • a first option consists in using a single detector for the two channels instead of the two detectors previously described and distributed one per channel.
  • the star sensor channel detector and the optronic sensor channel detector are combined into one and the same detector.
  • this single detector preferably has several million pixels.
  • a second option is to use two detectors for each channel instead of one detector.
  • the sensor channel of stars has two detectors, preferably one sensitive in the visible and the other in at least part of the infrared
  • the optronic sensor channel has two detectors, preferably one sensitive in the band II of infrared and the other sensitive in band III of infrared.
  • the input optics of the optronic sensor channel at least or, if appropriate, the optics common to the two channels, is then multispectral.

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Abstract

L'invention concerne le domaine des dispositifs d'acquisition de cible. C'est un dispositif d'acquisition de cible, étant destiné à être monté sur un aéronef ou sur un aérostat, comportant une voie senseur optronique comprenant un détecteur (6) et des moyens d'asservissement de la ligne de visée de la voie senseur optronique, le dispositif d'acquisition de cible (13) comportant également une voie senseur d'étoiles comprenant un détecteur (8), des moyens de recalage de la ligne de visée de la voie senseur optronique sur la ligne de visée de la voie senseur d'étoiles, et la ligne de visée de la voie senseur d'étoiles étant mécaniquement solidaire de la ligne de visée de la voie senseur optronique. Le dispositif d'acquisition de cible selon l'invention peut notamment être utilisé dans des aéronefs de surveillance, dans des systèmes d'estimation de trajectoire de cible, et dans des systèmes des systèmes d'estimation de trajectoire de cible, et dans des systèmes de défense contre cible.

Description

DISPOSITIF D'ACQUISITION DE CIBLE, AERONEF, SYSTEME D'ESTIMATION DE TRAJECTOIRE ET SYSTEME DE DEFENSE ASSOCIES
L'invention concerne le domaine des dispositifs d'acquisition de cible, notamment de cible volante, ainsi que les aéronefs de surveillance intégrant ces dispositifs d'acquisition de cible, les systèmes d'estimation de trajectoire de cible associés, et les systèmes de défense contre cible utilisant les systèmes d'estimation de trajectoire.
Le dispositif d'acquisition de cible est utilisé par un système d'estimation de trajectoire lequel localise la cible afin de permettre par exemple à un système de défense de neutraliser cette cible. Un des problèmes qui se pose pour neutraliser efficacement la cible est la précision de la localisation. Plusieurs systèmes de l'art antérieur et par conséquent plusieurs types de dispositifs d'acquisition de cible ont été successivement développés permettant ainsi d'améliorer au fur et à mesure la précision de localisation de la cible. Le dispositif d'acquisition de cible selon l'invention permet au système d'estimation de trajectoire qui l'utilise d'améliorer encore et substantiellement cette précision de localisation.
Selon un premier art antérieur, il est connu d'utiliser un dispositif d'acquisition de cible comprenant une simple voie senseur optronique. L'aéronef embarquant un tel dispositif d'acquisition de cible comporte une centrale inertielle sur laquelle est recalée la voie senseur optronique. Ce premier art antérieur est peu précis à cause des problèmes de recalage de la voie senseur optronique sur la centrale inertielle de l'aéronef et à cause, notamment en cas de mission de longue durée, des problèmes de dérive de la centrale inertielle de l'aéronef.
Selon un deuxième art antérieur, il est connu d'utiliser un dispositif d'acquisition de cible comprenant une simple voie senseur optronique. L'aéronef embarquant un tel dispositif d'acquisition de cible comporte également une centrale inertielle mais la voie senseur optronique est recalée sur les étoiles du ciel lesquelles sont observées par l'intermédiaire de la voie senseur optronique. Toutefois, lors du mouvement de la jigne de visée de la voie senseur optronique lorsque celle-ci passe des étoiles à la cible, la précision supplémentaire qui avait été obtenue' lors du recalage sur les étoiles est partiellement perdue. Ce deuxième art antérieur est également relativement peu précis, quoique que meilleur que le premier art antérieur car autonome par rapport à centrale inertielle. Par ailleurs, la centrale inertielle peut être recalée sur les étoiles, par l'intermédiaire de la voie senseur optronique.
L'objet de l'invention est de proposer un dispositif d'acquisition de cible qui permette une localisation très précise de ladite cible, au contraire des dispositifs de l'art antérieur. Le dispositif d'aquisition de cible selon l'invention est destiné à être monté sur un aéronef ou un aérostat, c'est-à- dire sur une plateforme aérienne évoluant ou stationnant dans les airs, par exemple du type avion, drône ou ballon, à l'exclusion des plateformes évoluant dans l'espace du type satellite lesquelles ne sont pas du tout soumises aux mêmes contraintes mécaniques, comme par exemple facteur de charge ou vibrations que les aéronefs. Un aéronef est soumis à des contraintes mécaniques bien plus importantes qu'un satellite dans la mesure où les conditions d'évolution ou d'environnement vibratoire d'un aéronef sont beaucoup plus sévères que celles d'un satellite. Le dispositif d'acquisition de cible selon l'invention, afin d'améliorer la précision de la localisation des cibles potentielles, comporte une voie senseur d'étoiles sur laquelle peut être très précisément recalée la voie senseur optronique. Dans le dispositif d'acquisition de cible selon l'invention, afin que la précision élevée acquise par le recalage de la voie senseur optronique sur la voie senseur d'étoiles ne puisse par être perdue par divers mouvements relatifs ou degrés de liberté d'une des voies par rapport à l'autre, lesdites voies sont rendues solidaires l'une de l'autre. Ainsi, grâce à la présence de la voie senseur d'étoiles et à la solidarité des voies senseur d'étoiles et senseur optronique, le système de stabilisation globale du dispositif d'acquisition de cible selon l'invention réalise un meilleur compromis entre la précision de stabilisation obtenue par ledit système et la complexité dudit système que les dispositifs d'acquisition de cible selon l'art antérieur.
Selon l'invention, il est prévu un dispositif d'acquisition de cible, étant destiné à être monté sur un aéronef, comportant une voie senseur optronique comprenant un détecteur et des moyens d'asservissement de la ligne de visée de la voie senseur optronique, caractérisé en ce que le dispositif d'acquisition de cible comporte également, une voie senseur d'étoiles comprenant un détecteur, des moyens de recalage de la ligne de visée de la voie senseur optronique sur la ligne de visée de la voie senseur d'étoiles, et en ce que la ligne de visée de la voie senseur d'étoiles est mécaniquement solidaire de la ligne de visée de la voie senseur optronique.
L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités et avantages apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des dessins joints, donnés à titre d'exemples, où :
- la figure 1 représente schématiquement un exemple d'aéronef intégrant un dispositif d'acquisition de cible selon l'invention ;
- la figure 2 représente schématiquement un exemple de dispositif d'acquisition de cible selon l'invention ;
- la figure 3 représente schématiquement un exemple préférentiel de dispositif d'acquisition de cible selon l'invention ;
- les figures 4 et 5 représentent schématiquement des diagrammes d'explication de la correspondance entre les pixels du détecteur de la voie senseur optronique et des pixels du détecteur de la voie senseur d'étoiles dans le cas d'une réalisation conforme à celle de la figure 3.
La figure 1 représente schématiquement un exemple d'aéronef intégrant un dispositif d'acquisition de cible selon l'invention. Cet aéronef est préferentiellement un aéronef de surveillance. L'aéronef de surveillance est par exemple un drone de surveillance dont seulement une portion de la surface extérieure 20 est représentée sur la figure 1 pour des raisons de clarté. Le dispositif 10 d'acquisition de cible selon l'invention est une boule de poursuite dans laquelle sont intégrées une voie senseur optronique et une voie senseur d'étoiles. La boule 10 de poursuite est située sur la surface extérieure 20 du drone. Le drone comporte également sur sa surface extérieure 20, mais placé de l'autre côté du drone, un dispositif 22 de veille, également en forme de boule, qui est une boule de veille. Des moyens de communication 24, situés à l'intérieur du drone, relient le dispositif 10 d'acquisition de cible au dispositif 22 de veille. Des moyens de reconstruction 21 de trajectoire de cible sont également reliés aux moyens de communication 24 et sont également situés dans le drone. Les moyens de reconstruction 21 pourraient aussi être situés dans une station au sol. Une structure 23 mécaniquement rigide assure le maintien de la position relative de la boule 10 de poursuite et de la boule 22 de veille. Le dispositif d'acquisition de cible selon l'invention est destiné à être monté sur un aéronef. Cet aéronef est par exemple un drone de surveillance comme sur la figure 1. Cet aéronef peut aussi être un avion de chasse. En effet, le facteur de charge sur un avion de chasse habituellement élevé à cause des évolutions rapides de l'avion de chasse dégraderait de manière encore plus importante que sur un drone de surveillance la précision de localisation. Cependant, avec le dispositif d'acquisition de cible selon l'invention, la solidarité mécanique existant entre la voie senseur optronique et la voie senseur d'étoiles rend la précision de localisation cherchée compatible avec l'emploi d'un avion de chasse à facteur de charge élevé. En effet, les voies senseur d'étoiles et senseur optronique sont mécaniquement liées entre elles de manière suffisamment rigide pour que la ligne de visée de la voie d'observation et la ligne de visée de la voie viseur d'étoiles soient immobiles l'une par rapport à l'autre. L'emploi d'un avion de chasse présente également l'avantage de ne pas nécessiter d'aéronef supplémentaire pour réaliser l'interception de la cible volante. Le dispositif d'acquisition de cible selon l'invention peut être monté sur un avion de chasse en raison de sa grande compacité, notamment lorsqu'il consiste en une boule de poursuite dans laquelle sont intégrées la voie senseur optronique et la voie senseur d'étoiles.
L'altitude d'évolution de l'aéronef sur lequel est monté le dispositif d'acquisition de cible selon l'invention est de préférence une altitude d'une part pour laquelle le rapport signal à bruit des différentes voies, à savoir la voie senseur optronique et la voie senseur d'étoiles, est suffisamment important pour permettre au dispositif d'acquisition de cible d'accrocher une cible et en particulier une cible volante, pour permettre à la voie senseur d'étoiles d'acquérir les étoiles, et d'autre part à laquelle plusieurs types usuels d'aéronef peuvent évoluer. Une altitude d'environ 40000 pieds représente alors un bon compromis. De préférence, l'aéronef comporte un dispositif de veille ainsi que des moyens de communication entre le dispositif d'acquisition de cible et le dispositif de veille, lesdits moyens de communication permettant au dispositif d'acquisition de cible de s'accrocher, successivement dans le temps, sur plusieurs cibles et de revenir régulièrement s'accrocher sur chacune desdites cibles. A chaque fois que le dispositif d'acquisition de cible revient s'accrocher sur une cible, les images qu'il prend permettent une estimation fine de plusieurs positions de ladite cible, lesdites positions étant ensuite utilisées par des moyens d'estimation de trajectoire pour reconstituer la trajectoire de ladite cible. Ce fonctionnement avec retours ponctuels de l'aéronef sur cible, permet au même aéronef de partager son temps d'acquisition de cible entre plusieurs cibles évoluant simultanément dans le champ.
Le dispositif d'acquisition de cible doit rechercher la cible et l'acquérir à partir d'une désignation d'objectif initiale fournie en coordonnées absolues ou en site et en gisement. Pour cela, le dispositif d'acquisition de cible est accroché sur une désignation d'objectif donnant la position estimée en site et en gisement de la cible sur laquelle le dispositif d'acquisition de cible doit ensuite effectivement s'accrocher. Pour cela, la désignation d'objectif peut aussi parfois fournir la vitesse angulaire estimée de la cible. La désignation d'objectif peut être fournie soit par un dispositif de veille intégré à l'aéronef soit par une station au sol. Dans le cas où la désignation d'objectif est fournie par un dispositif de veille intégré à l'aéronef, l'estimation de position voire de vitesse angulaire est grossière et va justement être affinée par l'intermédiaire des images prises par les voies du dispositif d'acquisition de cible. Dans le cas où la désignation d'objectif est fournie par une station au sol, l'estimation de position voire de vitesse angulaire a été effectuée par reconstruction de trajectoire de la cible obtenue par une extrapolation à l'instant présent de positions voire de vitesses elles-mêmes obtenues à partir des informations fournies précédemment par les dispositifs d'acquisition de cible et de veille d'un ou de plusieurs aéronefs de surveillance (dont éventuellement celui auquel est fournie la désignation d'objectif).
A partir de la désignation d'objectif le dispositif d'acquisition de cible peut s'accrocher sur la cible à condition d'une part que la cible soit vue dans le champ de la voie senseur optronique du dispositif d'acquisition de cible, ce qui impose pour une acquisition sans recherche audit champ d'être supérieur à deux fois la précision angulaire de la désignation d'objectif majorée du défilement de la cible, et d'autre part que les rapports signal à bruit sur les voies senseur optronique et senseur d'étoiles du dispositif d'acquisition de cible soient suffisants, un rapport signal à bruit, dont la valeur est comprise entre deux et dix par exemple, étant usuel.
Le dispositif d'acquisition de cible selon l'invention est préferentiellement destiné à être utilisé dans un aéronef de surveillance faisant lui-même avantageusement partie d'un système d'estimation de trajectoire des cibles.
Dans un mode de réalisation préférentiel, le système d'estimation de trajectoire d'une cible comporte un seul aéronef de surveillance lequel comporte un télémètre. Le système d'estimation comporte aussi des moyens de reconstruction de la trajectoire de la cible à partir des images fournies par l'aéronef et à partir des mesures de télémétrie.
Dans un autre mode de réalisation préférentiel, le système d'estimation de trajectoire d'une cible comporte au moins deux aéronefs de surveillance. Le système d'estimation comporte aussi des moyens de reconstruction de la trajectoire de la cible par triangulation à partir des images fournies par les différents aéronefs.
Ces deux modes de réalisation préférentiels permettent au système d'estimation de la trajectoire des cibles, notamment volantes, de tirer pleinement profit de la précision apportée par les images fournies par le dispositif d'acquisition de cible selon l'invention. La précision serait légèrement dégradée en l'absence à la fois de télémètre et de triangulation ou bien en l'absence de moyens équivalents permettant d'ajouter des mesures de distance aux mesures angulaires provenant des images fournies par les voies du dispositif d'acquisition de cible. Les moyens de reconstruction de trajectoire de cibles peuvent être situés par exemple, soit sur le ou les aéronefs de surveillance eux-mêmes, soit au niveau d'une station au sol, soit en partie au niveau de la station au sol et en partie au niveau du ou des aéronefs de surveillance. Ces moyens de reconstruction incluent notamment des bases de données concernant les éphémérides des étoiles correspondant à la portion de champ où sont censées évoluer la ou les cibles.
Le système d'estimation de trajectoire de cible peut par exemple faire partie d'un système plus global de défense active intégrant au moins un aéronef d'interception auquel est fournie au moins une portion de la trajectoire estimée par le système d'estimation. Grâce à cette portion de trajectoire estimée, l'aéronef d'interception est guidé vers la cible jusqu'à ce qu'il puisse enclencher son propre système de guidage terminal. L'interception aura généralement lieu après la rentrée dans l'atmosphère pour un missile balistique. En cas de système de défense passive, c'est-à- dire ne comportant pas d'aéronef d'interception, la défense passive consistant alors par exemple à mettre les populations civiles aux abris, la localisation de la cible volante par l'intermédiaire du système d'estimation de trajectoire rend inutile les systèmes au sol de détection radar très grande portée contre les missiles balistiques notamment. Le système d'estimation de trajectoire selon l'invention a par ailleurs une portée bien supérieure à un système de détection radar très grande portée. Dans l'exemple d'un missile balistique de portée valant environ 1500km et de temps de vol valant environ 10min, le système de radar très grande portée va détecter le missile environ 2min avant impact tandis que le système d'estimation de trajectoire peut détecter le même missile dans certaines conditions jusqu'à environ 8min avant impact, ce qui facilite beaucoup la tâche du système de défense associé, que celui-ci soit actif ou passif.
La durée de la mission d'un aéronef de surveillance au sein d'un système de défense peut être longue, par exemple de l'ordre d'une journée, des missions de l'ordre d'une semaine ou d'un mois pouvant même être envisagées. En effet, la localisation de cible à partir des images fournies par les voies du dispositif d'acquisition de cible conserve une bonne précision indépendamment des dérives au cours du temps de la centrale inertielle de l'aéronef, laquelle centrale inertielle peut même alors être recalée sur la voie senseur d'étoiles au cours de la mission. En cas de recalage du dispositif d'acquisition de cible sur les centrales inertielles actuelles d'aéronef, comme dans l'art antérieur, seules des missions de quelques heures au plus seraient envisageables.
Le type de cibles volantes poursuivies par le dispositif d'acquisition de cible selon l'invention est de préférence le missile balistique. Le dispositif d'acquisition de cible et le système d'estimation de trajectoire selon l'invention peuvent aussi être utilisés contre d'autres types de cibles volantes comme les satellites espions ou les avions évoluant à haute altitude. Le dispositif d'acquisition de cible et le système d'estimation de trajectoire selon l'invention peuvent aussi être utilisés contre d'autres types de cibles comme les cibles maritimes ou les cibles terrestres, les cibles terrestres étant alors avantageusement des cibles fixes ou déplaçables, par exemple du type quartier général ou bien du type lanceur de missile balistique. La figure 2 représente schématiquement un exemple de dispositif d'acquisition de cible selon l'invention. Le dispositif d'acquisition de cible selon l'invention représenté à la figure 2 est de préférence destiné à l'acquisition de cibles terrestres ou navales : en effet, la voie senseur d'étoiles regarde vers le ciel tandis que la voie senseur optronique regarde vers la terre ou vers les couches basses de l'atmosphère. Le dispositif d'acquisition de cible selon l'invention se présente sous la forme d'une boule 10 de poursuite. Une fois montée sur un aéronef de surveillance, la boule possède au moins deux degrés de liberté en rotation par rapport à la structure de l'aéronef de surveillance, afin de pouvoir balayer une portion substantielle de l'espace comme par exemple un demi-espace. La voie senseur optronique dont le champ 12 de vue englobe la cible 13 comporte un senseur 11 optronique par exemple de type caméra d'observation. Le champ (15) du détecteur (8) de la voie senseur d'étoiles est préferentiellement suffisamment grand pour voir en permanence au moins deux étoiles, ce qui permet de déterminer le roulis de la voie senseur d'étoiles et ce qui est particulièrement intéressant compte tenu du fait que les lignes de visée des voies senseur d'étoiles et senseur optronique ne sont pas colinéairement harmonisées dans l'exemple représenté à la figure 2. La voie senseur d'étoiles dont le champ 15 de vue englobe plusieurs étoiles 16 comporte un senseur 14 d'étoiles. La position relative des champs 12 et 15 dans l'espace est conservée grâce à la rigidité de la liaison mécanique entre les voies senseur optronique et senseur d'étoiles. Sur la figure 2, cette rigidité mécanique provient de la boule 10 elle-même très rigide et athermalisée de surcroît, boule 10 à laquelle sont également mécaniquement rigidement fixés les différents éléments desdites voies. Des ouvertures 17 et 18 sont pratiquées dans la boule 10 afin que les champs 12 et 15 de vue respectivement des voies senseur optronique et senseur d'étoiles ne soient pas obstrués par les parois de la boule 10. Sur la figure 2, la position des différentes voies est telle que les directions dans lesquelles regardent lesdites voies ne sont pas alignées, c'est-à-dire que les lignes de visée des différentes voies ne sont pas alignées. De préférence, les lignes de visée des voies senseur d'étoiles et senseur optronique sont disposées sensiblement à angle droit l'une de l'autre, afin de permettre les visées rasantes de la voie senseur optronique tout en limitant les erreurs de localisation liées à la diffraction dans les couches de l'atmosphère.
Le dispositif d'acquisition de cible selon l'invention comporte une voie senseur d'étoiles ayant un détecteur matriciel avec une ligne de visée et un champ associés ainsi qu'une voie senseur optronique ayant un détecteur matriciel avec une ligne de visée et un champ associés. De manière préférentielle, à tout pixel d'un détecteur matriciel d'une des voies correspond de manière bijective un pixel du champ de ladite voie, ladite correspondance étant effectuée par l'optique de ladite voie située en amont dudit détecteur, ledit pixel de champ correspondant à la fois à une portion angulaire de l'espace situé en face de la surface sensible dudit détecteur et à un pixel de l'image de l'espace obtenue par ledit détecteur. La voie senseur optronique et la voie senseur d'étoiles sont de préférence mécaniquement liées entre elles de manière suffisamment rigide pour que la ligne de visée de la voie senseur optronique et la ligne de visée de la voie senseur d'étoiles soient immobiles l'une par rapport à l'autre de sorte que la position relative des pixels du champ de la voie senseur optronique et des pixels du champ de la voie senseur d'étoiles soit conservée. La position relative des pixels est conservée si l'amplitude du mouvement relatif infime pouvant exister entre les lignes de visée des différentes voies ne dépasse pas, au niveau de chaque champ de détecteur de l'une des dites voies, le champ de détecteur de l'autre voie étant alors prise comme référence, la taille d'un demi pixel.
Dans le cas préférentiel décrit ultérieurement de la figure 3, la conservation préférentielle de la position relative des pixels du champ de la voie senseur optronique et des pixels du champ de la voie senseur d'étoiles se traduit par le maintien d'une correspondance existante entre les pixels du détecteur de la voie senseur optronique et des pixels du détecteur de la voie senseur d'étoiles. La correspondance existante est maintenue si par exemple lorsqu'un pixel pi donné du détecteur de la voie senseur optronique correspond à un pixel pj donné du détecteur de la voie senseur d'étoiles, c'est-à-dire lorsque les pixels pi et pj correspondent tous deux à la même portion angulaire de l'espace, alors le pixel pi correspond toujours au pixel pj quels que soient les mouvements absolus de l'aéronef, puisque les lignes de visée des différentes voies restent immobiles l'une par rapport à l'autre. La correspondance existante est maintenue si par exemple lorsqu'un ensemble de pixels pk donnés du détecteur de la voie senseur optronique correspond à un pixel pj donné du détecteur de la voie senseur d'étoiles, alors l'ensemble de pixels pk correspond toujours au pixel pj quels que soient les mouvements absolus de l'aéronef, puisque les lignes de visée des différentes voies restent immobiles l'une par rapport à l'autre, et vice-versa. Cette immobilité relative de la ligne de visée d'une des voies par rapport à la ligne de visée de l'autre voie permet de monter le dispositif d'acquisition de cible selon l'invention sur des aéronefs sujets à des couples perturbateurs nettement plus importants que ceux avec lesquels étaient compatibles les dispositifs de l'art antérieur sans dégrader la précision et sans requérir de système de stabilisation plus perfectionné que dans l'art antérieur.
Une autre cause d'imprécision pourrait être la faiblesse de la cadence de rafraîchissement de la voie senseur d'étoiles laquelle cadence de rafraîchissement est généralement plus faible que la cadence image de la voie senseur optronique. Ainsi, une image obtenue par la voie senseur d'étoiles à un instant donné sert bien sûr à recaler l'image obtenue au même instant par la voie senseur optronique mais également plusieurs images obtenues par la voie senseur optronique à des instants voisins de l'instant donné. Afin de diminuer voire d'éliminer cette cause d'imprécision, des moyens de calcul procèdent à des interpolations. Afin de diminuer de manière simple les erreurs entraînées par les interpolations, la voie senseur optronique et la voie senseur d'étoiles ont préferentiellement chacune une cadence image dont l'une est un multiple de l'autre. Afin de supprimer de manière simple les erreurs entraînées par les interpolations, la voie senseur optronique et la voie senseur d'étoiles ont la même cadence image et sont temporellement synchronisées. Dans ce dernier cas avantageux, la similitude des cadences image entre les différentes voies et leur synchronisation temporelle, permet, sans nécessiter de calculs d'interpolation, de conserver la précision obtenue en associant à chaque image de la voie senseur optronique une image temporellement simultanée de la voie senseur d'étoiles permettant ainsi un recalage très précis de l'image de la voie senseur optronique sur l'image de la voie senseur d'étoiles laquelle image de la voie senseur d'étoiles comporte généralement plusieurs étoiles de référence dont la position dans l'espace est très précisément connue grâce à des bases de données contenant les éphémérides de ces étoiles de référence.
Avec ou sans calculs d'interpolation, grâce au dispositif d'acquisition de cible selon l'invention, la précision de la position angulaire d'une cible volante visible sur plusieurs images de la voie senseur optronique sera très élevée et ceci pour toutes les images concernées, permettant ainsi une reconstruction très précise de la trajectoire de la cible volante. A titre d'exemple, avec des détecteurs de l'ordre de 320 par 240 pixels, la précision de la position angulaire d'une cible volante peut atteindre 30μrad. Le dispositif d'acquisition de cible selon l'invention est préferentiellement une boule de poursuite et les deux voies sont avantageusement intégrées à l'intérieur de la boule. Ainsi, la rigidité de la liaison mécanique entre les différentes voies peut être obtenue plus facilement. Le dispositif d'acquisition de cible selon l'invention peut aussi être intégré dans une nacelle ou même être disposé à l'intérieur de l'aéronef sur lequel il est monté en cas d'absence de nacelle.
Le dispositif d'acquisition de cible selon l'invention possède des moyens d'asservissement de la voie senseur optronique dans une direction déterminée. Cette direction déterminée peut être choisie de plusieurs manières.
Dans un premier mode de réalisation, les moyens d'asservissement de la voie senseur optronique asservissent la ligne de visée de la voie senseur optronique sur la cible. Un avantage de ce premier mode de réalisation est l'absence de filé vitesse sur la cible, ce qui améliore le rapport signal à bruit et permet une meilleure localisation de la cible dans le repère de la voie senseur optronique. Un inconvénient de ce premier mode de réalisation est la présence d'un filé vitesse sur les étoiles, ce qui dégrade le rapport signal à bruit et entraîne une moins bonne localisation des étoiles dans le repère de la voie senseur d'étoiles. Dans un deuxième mode de réalisation, les moyens d'asservissement de la voie senseur optronique asservissent la ligne de visée de la voie senseur optronique sur les étoiles du ciel. Un avantage de ce deuxième mode de réalisation est l'absence de filé vitesse sur les étoiles, ce qui améliore le rapport signal à bruit et permet une meilleure localisation des étoiles dans le repère de la voie senseur d'étoiles. Un inconvénient de ce deuxième mode de réalisation est la présence d'un filé vitesse sur la cible, ce qui dégrade le rapport signal à bruit et entraîne une moins bonne localisation de la cible dans le repère de la voie senseur optronique. Dans le cas décrit ultérieurement d'un détecteur unique pour les deux voies alors alignées, le filé vitesse sur la cible est moins gênant que le filé vitesse sur les étoiles, par conséquent ce deuxième mode de réalisation est alors préférable.
La figure 3 représente schématiquement un exemple préférentiel de dispositif d'acquisition de cible selon l'invention. Le dispositif d'acquisition de cible selon l'invention représenté sur la figure 3 est de préférence destiné à l'acquisition de cibles volantes, c'est-à-dire aériennes et spatiales, et notamment les cibles volantes évoluant en haute altitude. Dans la suite de la description de la figure 3, sauf mention contraire, une optique peut désigner aussi bien un simple élément optique comme par exemple une lentille qu'une combinaison optique complexe comportant plusieurs éléments optiques. Le dispositif d'acquisition de cible selon l'invention se présente sous la forme d'une boule 10 de poursuite dont seulement une portion est représentée sur la figure 3 pour des raisons de clarté. Une fois montée sur un aéronef de surveillance, la boule 10 possède au moins deux degrés de liberté en rotation par rapport à la structure de l'aéronef de surveillance, afin de pouvoir balayer une portion substantielle de l'espace comme par exemple un demi-espace. Le bloc 1 , appelé bloc 1 capteur, représente de manière symbolique la rigidité de la liaison mécanique entre la voie senseur optronique d'une part et la voie senseur d'étoiles d'autre part. La voie senseur optronique comporte, successivement de l'extérieur de la boule 10 vers l'intérieur de la boule 10, un filtre vertical 2 dont le fonctionnement sera explicité ultérieurement, une optique 3 d'entrée, un séparateur 4 de faisceaux, une optique 5 de focalisation, un détecteur 6. La voie senseur d'étoiles comporte, successivement de l'extérieur de la boule 10 vers l'intérieur de la boule 10, un filtre vertical 2 dont le fonctionnement sera explicité ultérieurement, une optique 3 d'entrée, un séparateur 4 de faisceaux, une optique 7 de focalisation, un détecteur 8. Le filtre 2, l'optique 3 d'entrée et le séparateur 4, sont communs aux deux voies sur la figure 3, ce qui n'est pas obligatoire mais préférable en raison du fait qu'un élément commun aux deux voies contribue par construction à l'amélioration de la rigidité de la liaison mécanique entre lesdites voies. Le faisceau f arrivant de l'extérieur entre dans la boule 10 en traversant successivement le filtre 2 et l'optique 3 d'entrée pour arriver sur le séparateur 4 qui est par exemple une simple lame semi-réfléchissante. Le séparateur 4 sépare le faisceau f en deux faisceaux, un faisceau fo se propageant en direction du détecteur 6 de la voie senseur optronique et un faisceau fve se propageant en direction du détecteur 8 de la voie senseur d'étoiles. Le faisceau fo est focalisé par l'optique 5 de focalisation sur le détecteur 6 tandis que le faisceau fve est focalisé par l'optique 7 de focalisation sur le détecteur 8.
Que les lignes de visée des voies senseur d'étoiles et senseur optronique soient colinéairement harmonisées ou non, le détecteur 8 de la voie senseur d'étoiles est préferentiellement disposé de manière à obtenir une image défocalisée des étoiles afin que l'image de chaque étoile recouvre plusieurs pixels dudit détecteur 8. Dans le cas d'étoiles émettant beaucoup de lumière, une localisation précise de la ligne de visée de la voie senseur d'étoiles par rapport aux étoiles observées est ainsi plus aisée à obtenir.
Le dispositif d'acquisition de cible selon l'invention comporte préferentiellement au moins un filtre polarisant rectiligne qui est disposé de manière à ce que, lors de l'acquisition d'une cible volante, la composante de polarisation rectiligne horizontale de la lumière qui arrive sur le détecteur de l'une des voies, avantageusement de chacune des voies, soit substantiellement plus atténuée que la composante de polarisation rectiligne verticale de la lumière qui arrive sur le détecteur de ladite voie, avantageusement de chacune des voies. Ce filtre est appelé filtre vertical, la figure 3 présente un filtre vertical 2. La cible volante est le plus souvent détectée sur un fond de ciel non structuré, c'est-à-dire que la partie inférieure du champ du détecteur de la voie senseur optronique pointe au- dessus du plafond nuageux. Néanmoins, la lumière provenant du soleil pendant le jour et se réfléchissant sur les nuages ou limbes est diffusée par ces nuages ou limbes sous forme de lumière polarisée plutôt horizontalement. La fonction du filtre vertical 2 est par conséquent d'augmenter le rapport signal à bruit en arrêtant, avant son arrivée sur les détecteurs, la lumière polarisée horizontalement.
De préférence, au moins une partie de la ligne de visée de la voie senseur d'étoiles et une partie de la ligne de visée de la voie senseur optronique sont alignées l'une sur l'autre et la conservation de la position relative des pixels du champ de la voie senseur optronique et des pixels du champ de la voie senseur d'étoiles se traduit par le maintien d'une correspondance existante entre les pixels du détecteur matriciel de la voie senseur optronique et des pixels du détecteur matriciel de la voie senseur d'étoiles.
La direction d'observation des détecteurs 6 et 8 étant alors la même, les voies senseur optronique et senseur d'étoiles sont par conséquent alignées, c'est-à-dire colinéairement harmonisées. Ainsi, notamment dans le cas d'angles de vue pouvant être très rasants par rapport à l'atmosphère, grâce à l'auto-compensation des dispersions de propagation sur le trajet, lesdites dispersions étant liées à la traversée des différentes couches atmosphériques, la trajectoire sinueuse des rayons lumineux n'est plus source d'erreurs de localisation importantes. Les voies senseur optronique et senseur d'étoiles présentent même sur la figure 3 une pupille commune, ce qui réduit encore les erreurs d'harmonisation entre lesdites voies. L'optique de la pupille commune peut toutefois être multichamp et/ou multispectrale dans le cas où les détecteurs desdites voies n'ont pas le même champ et/ou pas le même domaine spectral de sensibilité. Lesdites voies peuvent également avoir des pupilles séparées, ce qui est moins avantageux au niveau de la rigidité mécanique de la liaison entre lesdites voies, mais ce qui peut être plus simple à mettre en œuvre dans le cas de détecteurs de champs différents et/ou de domaines spectraux de sensibilité différents pour les deux voies dans la mesure où cela dispense d'une optique multichamp et/ou multispectrale. A moins d'utiliser des détecteurs ayant un très grand nombre de pixels, par exemple plusieurs millions, pour une meilleure précision, la voie senseur d'étoiles possède préferentiellement un champ plus grand que celui de la voie senseur optronique.
La conservation préférentielle de la position relative des pixels du champ de la voie senseur optronique et des pixels du champ de la voie senseur d'étoiles se traduit par le maintien d'une correspondance existante entre les pixels du détecteur de la voie senseur optronique et des pixels du détecteur de la voie senseur d'étoiles. Les figures 4 et 5 représentent schématiquement des diagrammes d'explication de cette correspondance. Une cible 13, représentée sous la forme d'une flèche é^te, est contenue dans le champ 12 de la voie senseur optronique. Plusieurs étoiles 16, respectivement représentées sous la forme d'astérisques, sont contenues dans le champ 15 de la voie senseur d'étoiles. Sur la figure 4 et de manière préférentielle, le champ 15 de la voie senseur d'étoiles englobe le champ 12 de la voie senseur optronique. La figure 5 montre, à l'aide d'une flèche courbe, la correspondance existant entre un ou plusieurs pixels donnés de la surface 120 sensible du détecteur 6 de la voie senseur optronique, représenté(s) sur la figure 5 par la zone 30 et représentant un secteur angulaire SA, de l'espace, appartenant au champ 12, et un ou plusieurs pixels donnés de la surface 150 sensible du détecteur 8 de la voie senseur d'étoiles, représenté(s) sur la figure 5 par la zone 31 et représentant le même secteur angulaire SA, de l'espace, appartenant au champ 15. Les traits pointillés sur la surface sensible 150 de la figure 5 délimitent une zone de pixels ayant des correspondants sur la surface sensible 120. La liaison mécanique entre la voie senseur optronique et la voie senseur d'étoiles est suffisamment rigide pour que d'une part, dans le cas où la zone 30 continue à représenter le secteur angulaire SA, alors la zone 31 continue aussi à représenter le secteur angulaire SA, et pour que d'autre part, dans le cas où la zone 30 se met à représenter un autre secteur angulaire aSA, alors la zone 31 se met à représenter aussi ce même secteur angulaire aSA : pour cela, le décalage relatif entre le champ 12 et le champ 15 ne doit alors excéder ni la moitié de la taille d'un pixel de la surface sensible 120 du détecteur 6, ni la moitié de la taille d'un pixel de la surface sensible 150 du détecteur 8. Les pixels des détecteurs 6 et 8 n'ont pas nécessairement la même taille, mais c'est préférable. Dans le cas préférentiel où le champ 15 est supérieur au champ 12, d'une part certains pixels de la surface sensible 150 du détecteur 8, comme le pixel 32, n'ont pas de correspondants sur la surface sensible 120 du détecteur 6, et d'autre part un groupe de plusieurs pixels donnés (ou une fonction, telle que combinaison linéaire par exemple, des pixels de ce groupe) de la surface sensible 120 du détecteur 6 de la voie senseur optronique correspond à un seul pixel de la surface 150 du détecteur 8 de la voie senseur d'étoiles. Le réglage de cette correspondance peut généralement être fait une fois pour toutes et non nécessairement en usine.
Le dispositif d'acquisition de cible selon l'invention est généralement athermalisé pour que les différences de température ne perturbent pas la correspondance entre les pixels des détecteurs des différentes voies. Le matériau employé pour cette athermalisation est par exemple de l'INVAR. Le dispositif d'acquisition de cible selon l'invention se présente préferentiellement sous la forme d'une boule intégrant les voies senseur optronique et senseur d'étoiles. La boule, étant relativement compacte, peut être plus aisément athermalisée. La boule a par exemple environ 400mm de diamètre.
De préférence, les détecteurs respectifs des différentes voies ont un domaine spectral de sensibilité qui est sinon identique du moins voisin. Ainsi, la corrélation entre les images fournies par les différentes voies est plus aisée à réaliser au niveau du système d'estimation de trajectoire englobant le dispositif d'acquisition de cible selon l'invention.
Afin que le dispositif d'acquisition de cible selon l'invention puisse conserver cette précision de localisation de cible aussi bien en mode de fonctionnement pendant le jour qu'en mode de fonctionnement pendant la nuit, le détecteur de la voie senseur d'étoiles est choisi de manière à ce que son domaine spectral de sensibilité soit au moins partiellement dans l'infrarouge, même si l'infrarouge est situé en queue du spectre d'émission des étoiles, c'est-à-dire dans une partie relativement peu intense de ce spectre d'émission, la disponibilité de détecteurs très sensibles dans l'infrarouge permettant de réduire sensiblement cet inconvénient ; ainsi, le dispositif d'acquisition de cible selon l'invention s'affranchit-il du bruit de fond constitué par la diffusion solaire.
Afin de rester plus précis et de s'affranchir plus complètement à la fois de la diffusion solaire et du flux thermique des éléments optiques de la voie senseur d'étoiles, le dispositif d'acquisition de cible selon l'invention comporte un détecteur de la voie senseur d'étoiles dont le domaine spectral de sensibilité comprend au moins une partie de la bande II de l'infrarouge.
En effet, les bandes I et II de l'infrarouge sont meilleures pour la voie senseur d'étoiles tandis que les bandes II et III de l'infrarouge sont généralement meilleures pour la voie senseur optronique. Dans le cas où les cibles sont des missiles balistiques, pour la voie senseur optronique, la bande II peut être meilleure en début de phase balistique du missile lorsque celui-ci est encore chaud tandis que la bande III peut être meilleure en fin de phase balistique du missile lorsque celui-ci est déjà froid. Au moins une partie de la bande II de l'infrarouge est préferentiellement incluse dans le domaine de sensibilité du détecteur de chacune des voies. Ainsi, le dispositif d'acquisition de cible selon l'invention permet de résoudre au moins en partie le paradoxe de pouvoir « voir des étoiles en plein jour tout en étant proche du soleil ». De plus, en bande II de l'infrarouge, le flux thermique des éléments optiques des voies est faible.
Préferentiellement, le domaine de sensibilité des détecteurs des différentes voies a une limite inférieure valant sensiblement 1μm et une limite supérieure sensiblement comprise entre 2,5μm et 4μm. La limite inférieure valant sensiblement 1 μm représente un optimal dans la mesure où le bruit de fond augmente avec la diffusion solaire en dessous de cette limite inférieure. Au-delà d'une limite supérieure valant sensiblement 4μm, le flux thermique des éléments optiques des voies ainsi que de l'atmosphère augmente sensiblement. De préférence, les détecteurs sont des détecteurs de forte sensibilité tels que MCT, InSb ou MPQ. Ces détecteurs possèdent avantageusement au minimum 640x480 pixels.
Une première option consiste à utiliser pour les deux voies un détecteur unique au lieu des deux détecteurs précédemment décrits et répartis un par voie. Dans ce cas, le détecteur de la voie senseur d'étoiles et le détecteur de la voie senseur optronique sont confondus en un seul et même détecteur. Pour obtenir une très bonne précision de localisation de la cible, ce détecteur unique possède préferentiellement plusieurs millions de pixels.
Une deuxième option consiste à utiliser pour chacune des voies, deux détecteurs au lieu d'un détecteur. Dans ce cas, la voie senseur d'étoiles possède deux détecteurs, de préférence l'un sensible dans le visible et l'autre dans au moins une partie de l'infrarouge, et la voie senseur optronique possède deux détecteurs, de préférence l'un sensible dans la bande II de l'infrarouge et l'autre sensible dans la bande III de l'infrarouge. L'optique d'entrée de la voie senseur optronique au moins ou bien, le cas échéant, l'optique commune aux deux voies, est alors multispectrale.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif d'acquisition de cible (13), étant destiné à être monté sur un aéronef ou sur un aérostat, comportant une voie senseur optronique comprenant un détecteur
(6) et des moyens d'asservissement de la ligne de visée de la voie senseur optronique, caractérisé en ce que le dispositif d'acquisition de cible (13) comporte également, une voie senseur d'étoiles comprenant un détecteur (8), des moyens de recalage de la ligne de visée de la voie senseur optronique sur la ligne de visée de la voie senseur d'étoiles, et en ce que la ligne de visée de la voie senseur d'étoiles est mécaniquement solidaire de la ligne de visée de la voie senseur optronique.
2. Dispositif d'acquisition de cible selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les détecteurs (6, 8) des voies senseur d'étoiles et senseur optronique sont matriciels, en ce qu'au moins une partie de la ligne de visée de la voie senseur d'étoiles et une partie de la ligne de visée de la voie senseur optronique sont alignées l'une sur l'autre, et en ce que la liaison mécanique entre les lignes de visée des voies senseur d'étoiles et senseur optronique est suffisamment rigide pour maintenir la correspondance existant entre les pixels (30) du détecteur (6) de la voie senseur optronique et des pixels (31 ) du détecteur (8) de la voie senseur d'étoiles.
3. Dispositif d'acquisition de cible selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif d'acquisition de cible comporte une seule optique d'entrée laquelle est commune aux voies senseur d'étoiles et senseur optronique.
4. Dispositif d'acquisition de cible selon l'une quelconque des revendications 2 à 3, caractérisé en ce que le dispositif d'acquisition de cible est destiné à acquérir au moins un type de cible parmi la famille de cibles comprenant, les cibles aériennes, les cibles spatiales, les missiles.
5. Dispositif d'acquisition de cible selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les lignes de visée des voies senseur d'étoiles et senseur optronique sont disposées sensiblement à angle droit l'une de l'autre.
6. Dispositif d'acquisition de cible selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif d'acquisition de cible est destiné à acquérir au moins un type de cible parmi la famille de cibles comprenant, les cibles terrestres, les cibles navales.
7. Dispositif d'acquisition de cible selon l'une quelconque des revendications 5 à 6, caractérisé en ce que le champ (15) du détecteur (8) de la voie senseur d'étoiles est suffisamment grand pour voir en permanence au moins deux étoiles.
8. Dispositif d'acquisition de cible selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la voie senseur optronique et la voie senseur d'étoiles ont chacune une cadence image dont l'une est un multiple de l'autre.
9. Dispositif d'acquisition de cible selon la revendication 8, caractérisé en ce que la voie senseur optronique et la voie senseur d'étoiles ont la même cadence image et sont temporellement synchronisées.
10. Dispositif d'acquisition de cible selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le détecteur (8) de la voie senseur d'étoiles est matriciel et en ce que ledit détecteur (8) est disposé de manière à obtenir une image défocalisée des étoiles afin que l'image de chaque étoile recouvre plusieurs pixels dudit détecteur (8).
11. Dispositif d'acquisition de cible selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif d'acquisition de cible est destiné à pouvoir fonctionner de jour comme de nuit et en ce qu'au moins une partie de la bande II de l'infrarouge est incluse dans le domaine spectral de sensibilité du détecteur (8) de la voie senseur d'étoiles.
12. Dispositif d'acquisition de cible selon la revendication 11 , caractérisé en ce que le domaine spectral de sensibilité du détecteur (8) de la voie senseur d'étoiles a une limite inférieure valant sensiblement 1 μm et une limite supérieure sensiblement comprise entre 2,5μm et 4μm.
13. Dispositif d'acquisition de cible selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le détecteur (8) de la voie senseur d'étoiles et le détecteur (6) de la voie senseur optronique sont confondus en un seul et même détecteur.
14. Dispositif d'acquisition de cible selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la voie senseur d'étoiles possède deux détecteurs, l'un sensible dans le visible et l'autre dans au moins une partie de l'infrarouge, et en ce que la voie senseur optronique possède deux détecteurs, l'un sensible dans la bande II de l'infrarouge et l'autre sensible dans la bande III de l'infrarouge.
15. Dispositif d'acquisition de cible selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'asservissement de la voie senseur optronique asservissent la ligne de visée de la voie senseur optronique sur la cible (13).
16. Dispositif d'acquisition de cible selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que les moyens d'asservissement de la voie senseur optronique asservissent la ligne de visée de la voie senseur optronique sur les étoiles (16) du ciel.
17. Dispositif d'acquisition de cible selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif d'acquisition de cible est une boule (10) de poursuite et en ce que les deux voies sont intégrées à l'intérieur de la boule (10).
18. Dispositif d'acquisition de cible selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif d'acquisition de cible comporte au moins un filtre (2) polarisant rectiligne qui est disposé de manière à ce que, lors de l'acquisition d'une cible volante (13), la composante de polarisation rectiligne horizontale de la lumière qui arrive sur le détecteur (6, 8) d'au moins l'une des voies soit substantiellement plus atténuée que la composante de polarisation rectiligne verticale de la lumière qui arrive sur le détecteur (6, 8) de ladite voie.
19. Dispositif d'acquisition de cible selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif d'acquisition de cible est un dispositif d'acquisition de missile balistique.
20. Aéronef de surveillance, caractérisé en ce que l'aéronef comporte un dispositif (10) d'acquisition de cible selon l'une quelconque des revendications précédentes.
21. Aéronef de surveillance selon la revendication 20, caractérisé en ce que l'aéronef comporte un dispositif (22) de veille ainsi que des moyens (24) de communication entre le dispositif (10) d'acquisition de cible et le dispositif (22) de veille, lesdits moyens (24) de communication permettant au dispositif (10) d'acquisition de cible de s'accrocher, successivement dans le temps, sur plusieurs cibles (13) et de revenir régulièrement s'accrocher sur chacune desdites cibles (13).
22. Aéronef de surveillance selon l'une quelconque des revendications 20 à 21 , caractérisé en ce que l'aéronef est un avion de chasse.
23. Aéronef de surveillance selon l'une quelconque des revendications 20 à 22, caractérisé en ce que l'aéronef est destiné à évoluer à une altitude d'environ 40000 pieds.
24. Aérostat de surveillance, caractérisé en ce que l'aérostat comporte un dispositif (10) d'acquisition de cible selon l'une quelconque des revendications 1 à 19.
25. Aérostat de surveillance selon la revendication 24, caractérisé en ce que l'aérostat comporte un dispositif (22) de veille ainsi que des moyens (24) de communication entre le dispositif (10) d'acquisition de cible et le dispositif (22) de veille, lesdits moyens (24) de communication permettant au dispositif (10) d'acquisition de cible de s'accrocher, successivement dans le temps, sur plusieurs cibles (13) et de revenir régulièrement s'accrocher sur chacune desdites cibles (13).
26. Aérostat de surveillance selon l'une quelconque des revendications 24 à 25, caractérisé en ce que l'aérostat est un ballon.
27. Aérostat de surveillance selon l'une quelconque des revendications 20 à 22, caractérisé en ce que l'aérostat est destiné à stationner à une altitude d'environ 40000 pieds.
28. Système d'estimation de trajectoire d'une cible (13), caractérisé en ce que le système d'estimation comporte un seul aéronef selon l'une quelconque des revendications 20 à 23 ou un seul aérostat selon l'une quelconque des revendications 24 à 27, en ce que ledit aéronef ou ledit aérostat comporte un télémètre et en ce que le système d'estimation comporte des moyens (21) de reconstruction de la trajectoire de la cible (13) à partir des images fournies par l'aéronef ou par l'aérostat et à partir des mesures de télémétrie.
29. Système d'estimation de trajectoire d'une cible (13), caractérisé en ce que le système d'estimation comporte au moins deux aéronefs de surveillance selon l'une quelconque des revendications 20 à 23 ou deux aérostats selon l'une quelconque des revendications 24 à 27 et des moyens (21 ) de reconstruction de la trajectoire de la cible (13) par triangulation à partir des images fournies par les différents aéronefs ou par les différents aérostats.
30. Système de défense caractérisé en ce qu'il comporte un système d'estimation selon l'une quelconque des revendications 28 à 29 et au moins un aéronef d'interception auquel est fournie au moins une portion de la trajectoire estimée par le système d'estimation.
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